燃料电池系统和用于调节聚合物电解质膜内含水量的方法技术方案

包括具有聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池（２２）的燃料电池系统（１０）设置有确定聚合物电解质膜中的含水量是否是低的确定部，和阳极气体压力调节部，当确定所述含水量是低的时，所述阳极气体压力调节部将所述燃料电池的阳极侧的气体压力设定为比在所述含水量不低时的稳定运行期间所述阳极侧的气体压力的设定值低。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及设置有聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池系统、和用 于调节所述燃料电池的聚合物电解质膜内水含量的方法。
技术介绍
当聚合物电解质膜燃料电池中电解质膜的含水量降低时，电解质膜 的质子电导率也降低，并且由于质子电导率降低，膜电阻增加。结果， 输出电压降低，由此降低电池性能。为了最小化这类问题，例如日本专利申请公开2002-175821 ( JP-A-2002-175821)提出 一种进行控制以进一 步增加阴极侧的气体压力的结构，作为在电解质膜的含水量低时的对 策。在燃料电池中，因为电化学反应而在阴极产生水，因此从燃料电池 向外部排放的几乎所有含水量都作为水蒸汽与阴极废气一起排放。如果 阴极侧的气体压力如上所述增加，则水倾向于以液态水而非水蒸汽的形 式存在于阴极侧流路中，因此能够抑制作为水蒸汽与阴极废气一起排放 的量。此外，当增加阴极侧的气体压力时，在阴极侧的气体流路的出口 部分处设置用于调节阴极侧的气体压力的背压阀。当在关闭方向控制该 背压岡以使阀的打开量减小时，物理上抑制了从燃料电池排放的水蒸汽 的量，这减小了电解质膜变干的机率。而且，相对于阳极侧增加阴极侧而最终增加电解质膜中的含水量。 U ' 一然而，通常通过利用泵等供给压缩空气将气体供给到阴极侧。因此， 增加阴极侧的气体压力导致泵等的功率消耗变大，也就是说，导致更大 的来自辅助装置的损失。因此，来自辅助装置的损失以该方式增加时， 包括燃料电池的整个系统的能量效率降低。
技术实现思路
因此，专利技术用于抑制因电解质膜中的含水量减少而引起的燃料电池性能降低，并且不导致否则会因来自辅助装置的损失增加而引起的能量本专利技术的第一方面涉及设置有具有聚合物电解质膜的燃料电池的 燃料电池系统。该燃料电池系统包括确定聚合物电解质膜中的含水量是 否低的确定部，和阳极气体压力调节部，当确定含所述水量是低的时， 所述阳极气体压力调节部将所述燃料电池阳极侧的气体压力设定为比 在所述含水量不低时的稳定运行期间所述阳极侧的气体压力设定值低。根据如上构建的燃料电池系统，当确定电解质膜中的所述含水量是 低的时，降低阳极压力，使得所述电解质膜因阳极侧和阴极侧之间的压 差而补充来自所述阴极的水分。结果，所述电解质膜的电阻值降低，因 此可以抑制由所述电解质膜中的低含水量而引起的输出电压降低。因 此，可以抑制燃料电池的性能降低，即使所述电解质膜中的含水量降低 也是如此。而且，可以降低阳极压力而不增加能量消耗，因此可以在不 降低能量效率的条件下抑制因所述电解质膜中的含水量低而引起的电 池性能降低。当确定所述含水量是低的时，所述阳极气体压力调节部可以将所述 阳极侧的气体压力设定为低于所述稳定运行期间的所述设定值，但是在 能够产生根据所述燃料电池的负荷需求的电力的范围内。根据这种结构，在可以产生根据负荷需求的电力的同时可以抑制电 池性能降低，即使电解质膜中的含水量降低也是如此。此外，燃料电池系统还可以包括将氢气供给到所述燃料电池的阳极的氢气供给通道；和将从所述燃料电池的阳极排放的气体引导至所述氢气供 给通道的阳M气通道。此外，所述氢气供给通道的一部分和所述阳极废 气通道可以形成使氢在所述燃料电池内的部分之间再循环的再循环流路，述阳极侧的气体压力。根据这种结构，在使用氢气作为燃料气体的燃料电池系统中，可以在 有效利用氢气的同时抑制所述电解质膜中含水量低时电池性能的降低。这种燃料电池系统还可以包括设置在所述氢气供给通道中所述再循环流路上游的喷射器，所述喷射器具有排放口和阀，氢气通过所述排放口排 放到所述再循环流路侧，所述阀选择性打开和关闭所述排放口。此外，所 述阳极气体压力调节部可以通过利用所述阀调节所述排放口的打开/关 闭状态设定所述阳极侧的气体压力。根据这种结构，通过利用所述阀调节所述排放口的打开/关闭状态可 以将阳极侧的气体压力容易地调节至期望的压力。本专利技术还可以通过除上述那些方式以外的各种方式实现。例如，本 专利技术可以通过例如用于控制所述聚合物电解质燃料电池的聚合物电解 质膜的含水量的方法的方式实现。附图说明参考附图，从以下示例性实施方案的描述中，本专利技术的前述和其它 目的、特征和优点会变得明显，在附图中，相同的附图标记用于代表相同的要素/元件，其中图l是显示燃料电池系统的一般结构的框图2是显示阳极压力和喷射器操作之间的关系的图3是显示研究阳极压力和电池电阻之间的关系之后获得的结果的图4是示出低的膜含水量程序的流程图5是显示输出电流与输出电压特性(输出特性)的一个实例的和图6是显示减压阀的一般结构的框形式的截面视图。 具体实施例方式接下来，将按以下顺序描述本专利技术的示例实施方案。A.设备的整 体结构；B.阳极压力和膜电阻之间的关系；C.低的膜含水量控制；和 D.修改的实施例。A.设备的整体结构5图1是显示作为本专利技术一个示例实施方案的燃料电池系统10的一 般结构的框图。燃料电池系统IO包括作为发电的主体的燃料电池22、 储存待供给到燃料电池22的氢的氢罐23、和用于向燃料电池22供给压 缩空气的空气压缩机24。燃料电池22是具有多个单电池堆叠在一起的 堆叠结构的聚合物电解质膜燃料电池。氢罐23是例如储存高压氢的氢气瓶。作为替代方案，可以使用吸 氢合金罐，该吸氢合金罐通过将氢吸附在设置于罐内部的吸氢合金中储 存氢。将储存在氢罐23中的氢气释放到连接至氢罐23的氢供给通道60 中，此后通过压力调节阀61将氩气调节至预定压力(即，压力降低)， 然后作为燃料气体经过喷射器62供给到构成燃料电池22的每个单电池 的阳极。顺便提及，压力调节阀61在图1中显示为单岡。然而，可以 设置根据需要的多个压力调节阀，使得从氢罐23以降低的压力供给的 氢气的压力降低至期望的压力并供给到喷射器62。喷射器62是设置有排放口和打开与关闭所述排放口的岡例如电磁阀 的装置。当阀打开时，喷射器62根据施加在喷射器62之前和之后的压差 由排放口喷射氢气。因此，可以根据设置在喷射器62中的阀打开的持续时 间调节供给到阳极侧的氢气的量。更具体地，可以通过调节喷射器62以恒 定周期接收的驱动信号的脉冲宽度，即通过调节阀打开和关闭时的占空系 数调节所喷射的氢气的量，即供给到阳极的氢气的量。置喷射器:2的位置下游的位置处再次流入氢供给通道60中。以该方式， 使阳极废气的中任意残余氢在由氲供给通道60的一部分、阳极废气通道 63和燃料电池22内的流路形成的流顺在下文中，所形成的流路将称为"再 循环流路，，)中再循环，并且再次提供用于电化学反应。此时，将与电化学 反应消耗的量相当的量的氬从氢罐23经喷射器62加入到再循环流路中。 也就是说，根据所消耗的氢的量(即才艮据所产生的电量或负荷需求)调节 喷射器62的占空系数。此外，基于再循环it^内的气体压力(在下文中称 为"阳M力")反馈控制喷射器62的占空系数。阳M力保持在预定的基 本恒定的值。在该示例实施方案中，检测阳极压力的阳极压力传感器50 设置在形成再循环流路的一部分的氲供给通道60中。此外，氢泵65设置 在阳极废气通道63中以使阳极废气在再循环流路中再循环。图2是显示阳极压力和喷射器62操作之间的关系的图。例如，通过改变打开和关闭阀的驱动信号的恒定频率f下的脉冲宽度控制喷射器6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：　具有聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池；　确定所述聚合物电解质膜中的含水量是否低的确定部；和　阳极气体压力调节部，当确定所述含水量是低的时，所述阳极气体压力调节部将所述燃料电池的阳极侧的气体压力 设定为比在所述含水量不低时的稳定运行期间所述阳极侧的气体压力的设定值低。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：弓田修，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]